2010–2011学年第2学期
生物医用材料期末论文
题目：壳聚糖生物医用材料的研究进展
姓名：冯秀清
学号： 20080403B004
专业： 08材料科学与工程
学院：材料与化工学院
任课教师：唐敏
完成日期： 2011-6-27
壳聚糖生物医用材料的研究进展
冯秀清
（海南大学材料与化工学院，08材料1班，20080403B004）
摘要：壳聚糖作为一种天然的材料,不仅无毒、无污染,而且具有很好的生物降解性和相容性，有着广泛的应用前景。本文从壳聚糖的制备、应用两个方面对壳聚糖生物材料进行了综述。关键词：壳聚糖；生物材料；制备；应用.
0前言
壳聚糖(chitosan)为甲壳素N-脱乙酰基所得的产物,在天然高分子中的含量
仅次于纤维素。其结构示意图如下[1]：
甲壳素又名几丁质、壳多糖、甲壳质等,是自然界中唯一带正电荷的天然可降解高分子聚合物,广泛分布于植物细胞的细胞壁,动物的角质上皮 ,海洋无脊椎动物、昆虫的外壳以及真菌菌体的细胞壁中,其中以甲壳类虾蟹壳中含量最高[2]。由于甲壳素在甲壳类虾蟹壳中含量最高，所以，由甲壳素制备壳聚糖时，主要是以虾、蟹类作为原料,而我国的虾、蟹类分布量大、资源丰富,这为壳聚糖的生产提供了充足的原材料。
壳聚糖是一种新型的天然医用生物材料,它具有无毒性、生物可降解、生物活性、生物相容性和抗菌性等众多优点，广泛应用于水处理、生物医学、化妆品、农业和食品工业中。另外,有研究表明壳聚糖能促进凝血,促进生长因子TGF-β1 的释放,从而加快伤口愈合的作用。
壳聚糖作为一种天然的材料,不仅无毒、无污染,而且具有很好的生物降解性和相容性，这符合环保以及经济可持续发展的要求 [3、4]。故而，对于壳聚糖的研究，有很大的必要性及经济性，符合发展要求。
本文将从壳聚糖的制备及其在生物医用材料领域的应用两个方面来论述壳聚糖生物医用材料的研究进展。
1壳聚糖的制备
关于壳聚糖的制备方法,其工艺流程大体相同。下面，我们以蚕蛹壳聚糖的制备工艺来具体说明其制备方法。并介绍几种壳聚糖复合材料的制备方法.
1.1 蚕蛹壳聚糖的制备工艺[5、6、7、8]
蚕蛹壳中含有丰富的甲壳素,是提取壳聚糖的优质原料。但是，由于蚕蛹壳中存在的蛋白质和色素含量高、脱乙酰基困难等问题,利用蚕蛹壳生产壳聚糖的工艺技术也要求较高。
目前国内蚕蛹壳生产壳聚糖仍然参照虾、蟹壳聚糖的提取工艺,其流程为:蚕蛹壳预处理→酸脱无机盐、碱脱蛋白→水洗干燥→脱色干燥→甲壳素→浓碱脱乙酰→水洗、过滤干燥→壳聚糖。
具体流程图如下：
下面，我们来了解各个步骤的具体操作。
1.1.1 蚕蛹壳的预处理
从生产蚕蛹蛋白前处理工艺中分离出的残渣主要成份为蛹壳,蛹壳是多种成分的复合体,主要包括甲壳素、蛋白、无机盐等,结构十分紧密,另外残渣中还附有一些杂质。因此第一步是除杂,然后烘干以为制备甲壳素(壳聚糖)提供优质的原材料。
1.1.2 脱无机盐
蚕蛹壳中的无机盐组分主要为碳酸钙,约占蛹壳质量的30% ,通常采用稀盐酸在常温下浸泡的方法,使其与盐酸反应生成易溶于水的氯化钙。
在脱盐过程中，盐酸浓度和浸酸时间是影响蛹壳中无机盐洗脱的主要因素。具体过程如下：（1）浸泡初期,盐酸只在蚕蛹壳表面反应,脱钙速度较快,但盐酸很快被消耗而使其浓度降低,对甲壳素分子链的影响减弱。（2）随着浸泡时间的延长,脱钙反应速度减慢,盐酸对表面已脱去钙的甲壳素分子链的破坏也逐渐增大,且时间越长其破坏作用也越大,导致甲壳素聚合度下降。
另外,生成的沉淀堆积在蛹壳表面或溶解于盐酸液中,使盐酸溶液具有一定的饱和度,阻碍盐酸与蛹壳的脱钙反应速度,延长了浸酸的有效时间,由此也会导致甲壳素的聚合度下降。
由于工业用甲壳素的质量标准GB643226439要求甲壳素有较高的聚合度,因此用酸处理蚕蛹壳时,要注意酸的浓度和浸酸时间,尽量避免甲壳素分子间的断
裂。
1.1.3 脱蛋白
蚕蛹壳中的甲壳层很薄,但含有一定量的蛋白质(质量分数约为30%)与少量脂肪,难以用物理方法除去。甲壳素不溶于稀碱,但是脂肪和蛋白质等物质能与酸碱溶液发生水解反应,而且脂肪在碱的作用下还能生成钠皂或钾皂,有助于脱蛋白,所以一般采用稀碱煮沸法脱去蛹壳蛋白。
有研究表明，脱无机盐与脱蛋白的先后顺序对后续工艺也有一定的影响。由于碱处理对甲壳素大分子链的影响比酸处理要小得多,而且蛋白质在碱液中溶解时间短,溶解较完全,因此先用NaOH溶液洗脱蛋白质,再用HCl去除无机盐的效果较好。
1.1.4 脱色
蚕蛹壳中含有色素,然而如果蚕蛹甲壳素颜色较深,会严重影响其应用范围。常用脱色方法有乙醇-NaOH法、KMnO4法、H2O2 法等。这里不再一一赘述。感兴趣者可查阅相关资料。
1.1.5 脱乙酰基
壳聚糖是甲壳素经过脱乙酰基制备而成的,可采用化学、物理和生物方法制备。
化学方法是利用化学反应使甲壳素分子结构中的糖苷键发生断裂而生成壳聚糖,常见的有盐酸、亚硝酸、过醋酸等酸降解法, NaOH 碱降解法和H2O2氧化降解法。
物理方法是用微波加热使甲壳素脱乙酰基后生成壳聚糖,是对环境无污染的绿色生产工艺技术。
生物方法是用专一性酶或非专一性酶通过生物降解甲壳素而得到壳聚糖,使用的降解酶主要有甲壳素酶、甲壳胺酶、溶菌酶和乙酰葡糖胺酶等。生物降解法条件温和,降解产物的相对分子质量易于控制,且不会对环境造成污染。但是，反应条件不易控制，且成本较高。
以龙虾壳为原料制备壳聚糖的工艺大致相同，具体过程如下：首先，我们经脱钙、脱蛋白、脱色等工艺制备出甲壳素，然后再由甲壳素经过脱乙酰化反应制得壳聚糖[9]。
1.2 壳聚糖基杂化生物功能材料的制备方法
壳聚糖基生物杂化材料以多种多样形式应用于不同的场合,除了粉末、薄片外,以凝胶形式居多,如珠粒、薄膜、微胶囊、纤维、中空纤维、纱布、支架等。其制备方法繁多,我们主要介绍冷冻干燥法之一种方法。
冷冻干燥法是将壳聚糖溶液冻结成凝胶,然后进行冷冻干燥。由此可以得到膜、管状、珠粒等形式的三维多孔海棉或支架。其孔隙度和形态取决于壳聚糖相对分子质量、初始溶液的组成和浓度,但最重要的是冻结温度和冻结速度[10]。
单程[11]等利用冷冻干燥法采用- 20 ℃冷冻后,部分熔融再进行液氮重冻的预冻方式,冷冻干燥制备了厚度约2 mm的仿生多层软骨支架。经研究发现,该支架在湿润状态下具有很大的断裂伸长率,并且宏观上具有良好的柔韧性,可满足对其进行剪切、移植等操作的要求。力学分析还表明,在湿润状态下,仿生结构支架的各层具有不同的力学性能。
生物组织工程的核心问题是建立由细胞和生物材料组成的三维空间复合体,即具有生命力的活体组织,用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。其中,支架材料的性质直接影响着细胞的迁移、分化和增殖。
理想的支架材料应该具有良好的生物相容性、生物可降解性、生物活性、适当的孔隙率及孔径等。用壳聚糖制备的生物材料具有较好的物理机械性能和良好的吸水性,与上皮细胞、成纤维细胞、肝细胞、软骨细胞及神经细胞等都有较好的相容性[13]，由其与一些大分子共混即可接近理想支架材料的要求。这进一步验证了壳聚糖生物材料的优越性。
1.3 电化学沉积法制备羟基磷灰石/壳聚糖复合材料
接下来,让我们一起了解一下如何用电化学沉积法来制备羟基磷灰石/壳聚糖复合材料。
电化学沉积法是利用壳聚糖的－NH2 在一定的pH值条件下会质子化的原理，外加电场使质子化的壳聚糖向阴极迁移，在电化学条件控制下，电沉积溶液
Ca(NO3)2和NH4H2PO4在电极/溶液界面合适的化学环境下与壳聚糖发生共沉积。
电化学沉积法的优点在于可以方便地通过精确控制电压大小、电流强度、通电程序和电极材料选择等因素在多孔或不规则形状物体表面沉积羟基磷灰石以
及控制其形貌；但也存在明显的缺点，即要求基体材料导电，而壳聚糖或一般高分子材料本身不具备导电性或导电性较差[12]。
2 壳聚糖作为生物医用材料的应用实例
2.1 壳聚糖在止血方面的应用
出血是创伤后主要并发症，成年人出血量超过0.8 ～ 1.0 L 将引起休克，危及生命，因此及时有效止血对挽救生命具有特殊意义。壳聚糖（chitosan，CS）具有良好的生物相容性、可降解性，独特的抑菌、抗菌性以及促进止血和伤口愈合的功能，已成为止血材料的研究热点。但是，目前研究的CS 止血膜止血效果不理想，CS/ 羧甲基壳聚糖（carboxymethyl chitosan，CMCS）止血膜柔韧性差，成膜率低。
李保强等[14]基于甘油的低介电常数和促使CS 溶胶- 凝胶转变的作用，引入了甘油和酚磺乙胺,达到了提高CS/CMCS 止血膜的柔韧性和止血效果的作用。2.2 壳聚糖在口腔医学的应用[15、16]
2.2.1 对口腔内细菌的抑制作用
菌斑细菌及其产物是牙周病的主要致病因素，减少菌斑形成和抑制致病菌,有助于预防牙周病的发生。研究表明，壳聚糖对口腔常见菌有不同程度的凝集作用。利用这一特性,可将牙周袋内的细菌凝集沉淀在牙周袋局部,进行局部针对性用药,提高药物疗效。
龋病发生的必要条件之一是细菌的粘附。有学者研究了壳聚糖衍生物对口腔链球菌属细菌的抑菌效果，低分子量壳聚糖，N- 羧甲基壳聚糖和咪唑基壳聚糖均能选择性阻止变形链球菌在羟基磷灰石牙表面黏附，并增高菌斑的pH 值，在口腔溶菌酶的作用下发生降解，代谢产物含有氨基呈碱性可以吸附带有负电荷的细菌，使细菌溶解、破裂、死亡，这可望作为防治龋齿的新型药剂。
2.2.2 引导牙周组织重建
促进牙周组织再生,重建因疾病丧失的牙周组织功能是牙周病治疗的理想目标。组织工程技术为牙周组织的重建开辟了新的治疗途径,它要求植入膜有良好的组织相容性: 材料要有惰性,不会因物理化学或生物性质的变化而引起不良组织反应;材料要有活性,可以激发正常的组织活动,调节组织工程产品中的细胞粘
附、迁移、生长、分化和凋亡。
而我们的壳聚糖为天然的高分子材料,其降解产物为氨基多糖,为机体代谢所需产物,不会产生不良组织反应,并且材料表面具有润滑性,可减少组织的粘附,降低细菌的附着,插入或植入时能极大减少体内细胞和组织受损。这完全符合组织工程材料要求,安全有保障。
有研究表明，在治疗牙周疾病方面，羧甲基壳聚糖比唾液腺素、壳聚糖黏度大，易黏附于伤口，其抑菌作用能够较充分发挥。
2.2.3 在口腔外科领域的应用
（1）神经修复颌面部有许多重要的运动神经和感觉神经。在进行颌面部外伤及血管瘤、淋巴管瘤或恶性肿瘤等疾病的手术治疗时,常不可避免地造成神经损伤。而在神经损伤修复过程中,断端神经胶质及结缔组织的增生会形成瘢痕组织,阻碍再生神经纤维向前生长,使再生的神经纤维达不到原位而失去功能。
有学者将结合有骨形态发生蛋白-2 ( bonemarphogenic p rotein-2,BMP-2)的
壳聚糖神经支架和单纯壳聚糖神经支架分别吻合于动物模型面神经缺损处,发现可吸收性BMP-2与壳聚糖神经支架复合体能更有效引导兔面神经再生并恢复其功能。这就使再生神经纤维达不到原位而失去功能这一难题得到了很好的解决。
（2）抗肿瘤壳聚糖具有免疫调节活性,对机体免疫系统作用时,一方面可通过激活补体系统来介导补体的系列生物学效应,提高巨噬细胞吞噬能力,增强其抗原提呈能力;另一方面,还能激活T细胞和B细胞,增强其在免疫应答中的协同效应,介导机体的细胞免疫应答和体液免疫应答,从而抑制肿瘤生长及转移。
2.3 壳聚糖及其衍生物作为药物载体材料[17、18]
2.3.1 在药物制剂中作为缓控释材料
壳聚糖是目前发现的天然多糖中唯一的碱性多糖,分子链上有羟基和胺基两种活泼的反应基团,可通过酯化、酰化、醚化、羧基化、醛化、水解等各种反应,引入亲水基团而得到水溶性的衍生物,可在盐酸、醋酸等低p H 水溶液及酸性消化液中膨胀形成凝胶,从而阻止药物的扩散和溶出,依此特性可制成各种缓控释剂型。
纳米粒是目前作为缓控制剂研究的热点，经过大量研究表明，它具有良好的缓释作用。此外，在凝胶剂、膜剂中壳聚糖也用作基质具有缓控释的特性。
2.3.2 作靶向药物载体
研究表明, 用壳聚糖作为载体材料具有靶向性, 能够起到肝、脾、肺及结肠靶向的作用。有学者采用星点设计法优化汉防己甲素壳聚糖微球的处方,以乳化交联法制备壳聚糖微球,自变量为汉防己甲素和壳聚糖的重量比、水相和油相的体积比、壳聚糖浓度,所制微球粒径大小适宜,可满足肺靶向的要求。
有研究指出，将药物包覆于壳聚糖的磁性微粒中,外加磁场将药物浓集于病灶靶区,可使药物缓慢地释放而发挥作用。
2.3.3 作为基因传递载体
壳聚糖作为一种非病毒基因输送系统, 其高效、安全、来源广泛等优点使其成为代替病毒输送基因的理想载体系统。有许多学者做了大量的工作,深入研究了壳聚糖的最佳配方以及壳聚糖载体和其他病毒或非病毒载体在基因表达效率上的差异等。
2.4 在组织工程中的应用[19、20、21]
2.4.1 壳聚糖在骨组织工程中的应用
信号分子、支架材料和靶细胞是骨组织工程的三个关键因素。其中，支架材料作为信号分子的载体和新骨的生长框架，应具备良好的生物相容性、生物可降解性、一定的机械强度和多孔结构。有研究表明，壳聚糖作为促进成骨细胞和软骨细胞生长的基质材料，具有较好的生物相容性。
利用壳聚糖复合材料做成的支架材料具有三维多孔结构，通过调节组成成份的比例可以控制孔隙率，这种复合物能促进成骨细胞附着、增值及表达，培养期间可观察到骨胶原以及蛋白多糖类似物等细胞外基质的生成，整个细胞/ 支架结构呈现较好的生物矿化效应。
尽管近20年来对壳聚糖支架材料进行了全面的研究，但是对其诱导血管生成的研究并不深入，在体外实验中发现壳聚糖材料可以支持血管内皮细胞的生长和迁移，预示了其具有诱导血管生成的潜能。体内外实验表明壳聚糖有诱导血管生成的潜能，但是壳聚糖这种作用与壳聚糖的相对分子质量和脱乙酰度密切相关。
2.4.2 壳聚糖在软骨组织工程中的应用
近些年来，研究者们将组织工程的方法引入到软骨修复中，在透明软骨组织再生和软骨损伤的治疗中显示出了巨大的临床应用潜力。基本的方法是将分离好
的关节软骨细胞或其前体细胞接种到某种生物相容的基质或支架中，经体外培养后植入受损关节处。
氨基葡聚糖（GAGs）包括硫酸软骨素、透明质酸钠、硫酸角质素，后两者是软骨基质特有成分。它们参与细胞间、细胞基质间的相互作用，调控细胞形态、分化、功能，是良好的软骨细胞载体。壳聚糖结构与之类似，且具有众多优良理化特性和生物学活性，使得研究者们开始将其应用到软骨修复，模拟自体关节软骨基质。
3 结束语
壳聚糖作为具有独特性能的生物材料,现已在纺织、印染、造纸、医药、食品、化工、环保等诸多领域中显示出其独特的应用价值。特别是在生物医用方面,将越来越受到广泛的关注。相信随着研究工作的深入,必定能使其发生突破性的进展,并产生巨大的经济效益。
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第一章 绪 论 1．1 壳聚糖及其结构特点 壳聚糖(Chitosan)是甲壳素(Chitin)脱乙酰基后的产物，是甲壳素最基本、最重要的衍生物。甲壳素又名甲壳质、几丁质，化学名为(1,4)—2—乙酰胺—2—脱氧—β—D—葡聚糖，主要存在于虾、蟹、蛹及昆虫等动物外壳以及菌类、藻类植物的细胞壁中。节肢类动物的干外壳约含20~50%甲壳素。自然界中甲壳素有三种结构：α、β、γ，其中最为常见、普通的是α型。地球上每年甲壳素的生物合成量为数十亿吨，是产量仅次于纤维素的天然高分子化合物。下图1-1是甲壳素和壳聚糖的结构： 图1-1 甲壳素、壳聚糖分子的结构示意图 Fig.1-1 The configuration schematic of chitin and chitosan 纯净的甲壳素和壳聚糖均为白色片状或粉状固体，比重0.3，常温下能稳定存在。甲壳素分子之间存在强烈的氢键作用，使得甲壳素形成高度的结晶结构，因而甲壳素分子高度难溶。甲壳素不溶于水及绝大多数有机溶剂，也不溶于稀酸、稀浓碱，只溶于浓酸和某些溶剂。壳聚糖分子的活性基团为氨基而不是乙酰基，因而化学性质和溶解性较甲壳素有所改善，可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶于水和绝大多数有机溶剂。由于氨基和羟基比较活泼，壳聚糖的化学性质较甲壳素活泼，可以发生多种化学反应，比如烷基化、酰基化反应等等。 1．2 壳聚糖及其衍生物产品的应用 壳聚糖及其衍生物由于其可再生性、生物相容性以及结构中的多种活性基团，具有多种优良的性质，已经广泛应用于化妆品、食品、医药、农业、环保等多个行业中。 1．2．1 在环保中的应用 壳聚糖及其衍生物能够通过分子中的氨基和羟基与多种金属离子形成稳定的整合物且可帮助微粒凝聚，故广泛用作化工、轻工纺织等废水处理中的吸附剂和絮凝剂。壳聚糖作为吸附剂和絮凝剂，能够有效地捕集溶液中的重金属离子和 有机物，并可以抑制细菌生长，使污水变清，特别是对于汞、铬、铜、铅、钴、3n n 甲壳素壳聚糖
绿色原料——壳聚糖的应用研究进展 09化学1班 XXX 指导老师：沈友教授 (惠州学院化学工程系，广东，惠州，516007) 摘要:本文综述了绿色原料壳聚糖的应用研究进展，着重介绍了壳聚糖在食品，水处理，生物药用，造纸业等方面的应用。 关键词:壳聚糖应用食品水处理 前言 原料在化学品的合成中非常重要，其可以成为影响一个化学品的制造、加工与使用的最大因素之一。如果一个化学品的原料对环境有负面的影响，则该化学品也很可能对环境具有净的负面影响。要实现绿色化学，在选择原料时应尽量使用对人体和环境无害的材料，避免使用枯竭或稀有的材料，尽量采用回收再生的原材料，采用易于提取、可循环利用的原材料，使用环境可降解的原材料。 自然界的有机物，数量最大的是纤维素，其次是蛋白质，排在第三位的是甲壳素，估计每年生物合成甲壳素100 亿t。甲壳素N-脱乙酰基的产物壳聚糖就是一种重要的绿色原料。 壳聚糖化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，壳聚糖的外观为白色或淡黄色半透明状固体, 略有珍珠光泽, 可溶于大多数稀酸如盐酸、醋酸、苯甲酸等溶液, 且溶于酸后,分子中氨基可与质子相结合, 而使自身带正电荷。自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。壳聚糖无毒无害,具有良好的保湿性、润湿性,能防止静电; 化学稳定性良好, 但吸湿性较强, 遇水易分解。对壳聚糖进行化学改性, 得到的壳聚糖衍生物在许多物化性质方面都得到改善，其应用也更加受到关注。本文着重介绍了壳聚糖在食品，医药，水处理方面的应用进展。
医用羟基磷灰石的研究进展 摘要： 羟基磷灰石(HA)是人体骨、牙无机组成的主要成分，组成生物体骨、牙组织的磷灰石晶体为纳米级、低结晶度、非化学当量和被多种离子的置换的针状纳米微晶．纳米羟基磷灰石由于与生物硬组织结构成分相似，以及在结构上的可模拟性，在生物医用材料研究中占据着重要的地位，并以各种应用形式出现在各类医学研究中。 羟基磷灰石[Calo(P04)6(0H)2】(hydroxyapatite，HAp)是一种生物活性材料，具有独特的生物相容性，是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分【I】，基于HAp良好的生物活性以及生物相容性，使其成为理想的硬组织替代材料，广泛应用于硬组织修复、药物载体和抗肿瘤活性的研究。 关键词：羟基磷灰石；特性；医用功能 前言： 生物材料是生命科学和材料科学的交叉边缘学科，成为现代医学和材料科学的匿要领域之一．预计生物材料的发展将成为21世纪国际经济的主要支柱产业之一。 生物医学材料的历史与人类的历电一样漫长，最初人们用木、金属、动物牙齿作为牙齿种植修复的材料．到19世纪，金、镀、锦等开始用T-口腔修复中，而陶瓷作为骨种植材料具有意义的研究是smitll在20世纪印年代开始的。70年代玻璃陶瓷、羟基磷灰石等进入n舱临床以后，把口腔种植修复推向丁新阶段，特别是80年代以来各种复合材料的H}现，使几腔种植的临床应用更加广泛。 纳米羟基磷灰石是人体骨、牙无机组成的主要成分，具有骨引导作用，在较短的时间内能与骨坚固结合，结合了生物材料和纳米材料的优点，临床已广泛应用，在生物医用材料中也占据着重要的地位． 羟基磷灰石(HA)具有骨引导作用，在较短的时间内能与骨坚固结合，临床已广泛应用．生物体内天然羟基磷灰石以纳米晶体的形式存在，为65～80 nm的针状结晶体．根据“纳米效应”理论，单位质量的纳米级粒子的表面积明显大于微米级粒子，使得处于粒子表面的原子数目明显增加，提高了粒子的活性，十分有利于组织的结合．目前人工合成的纳米羟基磷灰石直径在1—100 nm之间，钙磷比值约为1．67，因而与人骨的结构和成分很相似，是一种理想的组织植入材料．然而以羟基磷灰石作为骨植入材料因强度偏低，尤其是脆性太大尚难直接应用于人体承载部位。 正文： 羟基磷灰石概念： 羟基磷灰石制备方法：1.高温分解法2．煅烧磷酸钙法3．干法合成4．湿法合成：
有机抗菌剂研究现状及发展趋势 张葵花1, 2 , 林松柏 1 , 谭绍早 2 (1. 华侨大学材料学院 , 泉州 362000; 2. 暨南大学化 学系 , 广州 510630) 摘要: 综述了国内外天然、低分子、高分子有机抗菌剂的研究现状及应用 , 探讨了不同抗菌剂的结构与性能的关系 , 展望其发展趋势。指出有机 - 无机复合抗菌剂兼有了有机抗菌剂的高效性、持续性及无机抗菌剂的安全性、耐热性 , 将是今后国内研究的热点。 关键词: 天然有机抗菌剂 ; 低分子有机抗菌剂 ; 高分子有机抗菌剂 ; 研究现状 ; 发展趋势 0 引言 随着生活水平的提高, 人们对生活环境的认识和要求在不断提高, 特别是对健康的意识也在不断增强。由于有害细菌在自然界分布非常广泛 , 而且种类繁多 , 数量庞大 , 严重威胁着人类的健康[ 1 ] 。由细菌传播感染产生的疾病 , 已构成了一大社会问题 , 引起广泛关注。有机类抗菌剂具有杀菌速度快 , 抗菌效能高 , 加工方便, 颜色稳定等特点, 使用历史长 , 在某些领域中有着不可替代的作用。近年来, 科研人员致力于发展高效、低毒、环境友好、缓释、长效的有机抗菌剂。 1 天然有机抗菌剂 天然有机抗菌剂主要是从蟹和虾的壳中提炼出来的壳聚糖 , 壳聚糖是一种价廉、具有活性— NH 2 的天然高分子 , 具有广谱抗菌性 , 对霉菌、细菌都有很好的抗菌性能 , 对人体无毒、无刺激。不过壳聚糖的抗菌性能受 pH 值、相对分子质量、脱乙酰度的影响 , 一般 pH 值为 5 . 5 ～ 6 . 5 时抗菌性最强 , 相对分子质量在 10 000 ～100 000 范围内抗菌性能更好 , 随着脱乙酰度的增加而出现极值 [ 2 ] 。为了更好地利用壳聚糖作抗菌剂, J ia Zhishen 等[ 3 ] 在壳聚糖上接上不同长度的烷基季铵盐 , 制备了一系列的壳聚糖衍生物。由于壳聚糖的衍生物在酸性和碱性条件下都可溶 , 因此有着更广泛的应用。对抗菌性能的研究表明经过改性的壳聚糖抗菌活性有所提高 , 而且抗菌活性随着烷基链的增长而增加。 Sun Yun 等[ 4 ] 通过两步法在海藻酸钠 ( SA) 中引入壳聚糖齐聚物 (COS) 支链 , 实验表明SA - COS 中 , 只需含 1 . 8% 的 COS, 就能使金黄色葡萄球菌减少 99 1 9% 。这种抗菌海藻酸盐可以与多价金属离子 ( 通常为Ca 2 + ) 交联形成各种形状的水凝胶。用这种水凝胶做成的伤口覆盖物 , 既能保持有利于伤口愈合的湿度 , 又能防止细菌感染。由于壳聚糖及其衍生物对人体无毒和具有生物相容性 , 被广泛用于食品加工行业及医药行业。但是天然有机抗菌剂的耐热性差 , 不适宜用在塑料等对耐热性要求较高的行业。 2 低分子有机抗菌剂 低分子有机抗菌剂主要有季铵盐类、季鏻盐、双胍类、醇类、酚类、有机金属、吡啶类、咪唑类等。其抗菌机理主要是与细菌和霉菌的细胞膜表面的阴离子相结合 , 或与巯基反应 , 破坏蛋白质和细胞膜的合成系统 , 从而抑制细菌和霉菌的繁殖。 2. 1 季铵盐类抗菌剂 季铵盐类抗菌剂由于价格低廉 , 杀菌速度快 , 已经被人们广泛研究和利用。国际上已经开发出 4 代有典型意义的季铵盐抗菌剂。这类抗菌剂的抗菌能力和毒性随结构变化的一般规律是[ 5 ] : 同类季铵盐抗菌剂含短烷基
壳聚糖的生物相容性与安全性评价 医用高分子材料— 生命是人们永恒探究的课题，在漫长的求索过程中生物医用材料扮演着不可或缺的角色。有记载表明，早在古希腊时代人们就已经开始用马尾上的毛作为外科缝合线进行一些外科手术。时至今日生物医用材料已获得长足的进步，其中医用高分子材料更是被誉为医疗技术发展史上的一次飞越。 在此我谨对医用高分子材料中的壳聚糖材料谈一些我个人的认识。 壳聚糖学名：几丁聚糖。俗称甲壳素、甲壳胺、壳聚糖、可溶性甲壳素、脱乙酰基甲壳素、壳糖胺等。是以虾蟹壳为原料，先制得甲壳素，然后在浓碱的作用下脱去甲壳素分子中的乙酰基而得一种天然高分子化合物，在自然界中的含量仅次于纤维素。由于壳聚糖分子中含有活泼的羟基和氨基等极性基团，主链上可发生水解反应C-2位上的氨基和C-6位上的羟基可以发生乙酰化、羟乙酰化、羧甲基化、氰乙基化、硫酸酯化、氧化、黄原酸化等化学修饰。在双官能团的醛或酸酐等交联剂作用下，可进行交联反应。在r-射线或催化剂的作用下，乙烯基单位和丙烯酸类单体可与壳聚糖进行接枝共聚反应，加上它不仅具有很好的生物相容性，而且无毒、
易生物降解，使得其在医药、农业、环境、纺织、印染、造纸、催化、食品、日用化妆品等领域具有广泛的应用前景。下面我们就针对其在生物医用材料方面的应用进行讨论。 首先让我们来关注《第二军医大学学报》上刊登的一则实验结果。该实验是为观察聚合物壳聚糖〔CHI〕和磷脂化壳聚糖〔PC2CHI〕涂层膜对培养的血管内皮细胞增殖和迁移及血液相容性的影响而设计的。实验者将CHI 和PC2CHI 均匀喷涂在培养皿底层制成聚合物膜,以316 L 不锈钢片做成不锈钢圆柱体槽,将猪髂动脉内皮细胞接种于聚合物膜、不锈钢槽和不做任何处理的培养皿底部(空白对照组) ,培养24 h。光镜和扫描电镜观察细胞形态,以CCK28 试剂盒测定细胞增殖,并进行细胞迁移检测。以凝固法测定健康人血液在聚合物膜上作用2 h 后的凝血活酶时间(APTT) 、凝血酶原时间(PT) 、纤维蛋白原测定( FiB ) 和凝血酶时间(TT) 。结果发现动脉内皮细胞在CHI 和PC2CHI 膜上生长良好,形态正常。培养24 h ,内皮细胞在CHI 和PC2CHI 膜上的增殖率分别达88. 8 %和77. 8 % ,存活内皮细胞数目较不锈钢片组显著增加( P < 0. 01) ;而CHI 组的存活内皮细胞数目显著高于PC2CHI 组( P <0. 01) 。培养72 h ,内皮细胞在CHI 和PC2CHI 膜上迁移细胞数均显著高于316 L 不锈钢片,PC2CHI 组较CHI 组的细胞迁移数目显著增加( P < 0. 01) 。PC2CHI 组、316 L 不锈钢片组和空白对照组的APTT 较
生物医用高分子材料研究进展及趋势
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 医用材料学课程学习总结及结课论文生物医用高分子材料的研究及发展趋势
学院名称：材料科学与工程 专业班级：金属1302 学生姓名：钱振 指导教师姓名：王宝志 2016年 10 月 生物医用高分子材料的研究及发展趋势 钱振 学号：63 班级：金属1302 材料科学与工程学院 摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，分子材料在各领域得到了显著应用，在医用领域应用更多，本文综述了生物医用高分子材料的分类、特点及基本条件，概述了医用高分子材料的研究现状及其用途，并浅谈了医用高分子材料的发展及展望。通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。 关键词：生物材料，生物医用高分子材料，现状，应用，展望 1.引言 生物医用材料是生物医学科学中的最新分支学科，它是生物学、医学、化学、 物理学和材料学交叉形成的边缘学科，是用于人工组织或器官制备、高性能医疗
器械的研制、药物新剂型的开发和和仿生效应研究的基础[1] 。 生物医用材料，简称生物材料(BiomaterialS)，是一类具有特殊性能或功能，用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料]2[。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学]3[，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗、心血管、骨修复、神经传递、皮肤、器官、药物控释等）。 2.研究现状 生物医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的高分子材料。在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料取得了长足的进展，目前已成为发展最快的一个重要分支。随着医用高分子产业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起博器及骨生长诱导剂等。近10年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。 生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，它发展最早、应用最广泛、用量最大、品种繁多，主要包括：塑料、橡胶、纤维、粘合剂等。随着医学的发展，这些材料在医学领域得到广泛的应用。如:膨体聚四氟乙烯人造血管、聚矾中空纤维人工肾、硅橡胶医用导管、介入栓塞材料、介入诊疗导管以及护理方面使用的一次性医疗用品等，都是由高分子材料制成的。这些产品在临床诊断、治疗、护理等方面起着越来越重要的作用。正是由于高分子材料在医学上的独特作用，因而在高分子化学上出现了一个新的分支—医用高分子(Medical highpolymers)。它是把高分子化学的理论、研究方法、临床医学的需要结合起来，用于研究生物体的结构、生物体器官的功能及医用材料的应用等的一门年轻而边缘性的学科]4[。
利用壳聚糖制作食品包装的探索与研究 【摘要】壳聚糖（chitosan）属含氨基的均态直链多糖衍生物，是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的少数具有荷电性的天然产物之一，也是迄今发现的唯一一种天然碱性多糖。在大多数弱酸条件下壳聚糖可以溶解成胶体，可以制成薄膜。本文就壳聚糖成膜后具有抗菌性，抗氧化性等对食品有保鲜功能展开研究，并证明其利用在食品包装材料上具有广阔的前景。 【关键词】壳聚糖保鲜食品包装 引言 虾壳、蟹壳是水产工业的废弃物，堆放一段时间就会腐坏，造成环境污染；而广泛存在于蟹、虾和昆虫的外壳及菌类、藻类的细胞壁中的甲壳素等物质（还有蛋白质和红色素）可经过1，4键链接而成的线形聚合物――壳聚糖（化学名称为：聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖），是天然多糖中唯一的碱性多糖。壳聚糖具有优良的物理化学性能、生物相容性、抗菌性、生理活性、成膜性，由壳聚糖制得的功能材料且有较强的抗菌性能，可应用于医药、农业、工业、食品及化妆品等行业[1]。 （1）研究发展过程。1811年，法国科学家H.Braconnot
从动物的甲克中提取到甲壳素。1859年，法国一位名叫Rouget的研究者将甲壳素放在浓KOH溶液中煮沸，洗净后溶于有机酸，便得到了壳聚糖。1934年，在美国才首次出现了关于制备壳聚糖及相关物质的专利，并于1941年成功制备壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。20世纪90年代，壳聚糖的应用和生产达到了高潮――全球壳聚糖的年产量数万吨。 （2）结构。经研究证实，壳聚糖的空间结构是一个复杂的双螺旋结构，每个螺旋平面有6个糖残基，螺距为 0.515nm。壳聚糖的基本组成单位是氨基葡萄糖，基本结构单元是壳二糖。 （3）物理性质。壳聚糖是一种白色或灰白色固体，没有固定形状，色泽上呈半透明，略带有珍珠光泽。不能溶于水和碱溶液中，可溶于烯酸（pH<6）。壳聚糖在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有优良的吸附性、成膜性和通透性、保湿性等。 （4）化学性质。壳聚糖链官能团较多，能发生各种反应，O-酰基化和N-酰基化、含氧无机酸酯化、醚化、N-烷基化、氧化、螯合、酸吸附、接枝共聚和交联反应，其中比较重要的是酰基化和醚化反应[2]。 （5）壳聚糖的制备。壳聚糖的制备有化学制备法、生物降解法、机械加工法，其中化学制备法如下流程：虾壳→稀酸溶液搅拌（1.5h）→加入氢氧化钠水溶液（加热2h）→
固定化酶的研究进展 固定化酶是20世纪60年代发展起来的一项新技术。最初主要是将水溶性酶与不溶性体结合起来，成为不溶于水的酶衍生物，所以曾叫过“水不溶酶”和“固相酶”。但是，后来发现，也可以将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而反应产物可以透过膜逸出。在这种情况下，酶本身仍是可溶的，只不过被固定在一个有限的空间内不能再自由流动。因此，用水不溶酶或固相酶的名称就不再恰当。在1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用“固定化酶”的名称[1]。 一固定化酶的发展历程[1] 酶参与体内各种代谢反应，而且反应后其数量和性质不发生变换。作为一种生物催化剂，酶可以在常温常压等温和条件下高效地催化反应，一些难以进行的化学反应在酶的催化作用下也可顺利地进行反应，而且反应底物专一性强、副反应少等优点大大促进了人们对酶的应用和酶技术的研究。近年来，酶被人们广泛应用于食品生产与检测、生物传感器、医药工程、环保技术、生物技术等领域。 1916年美国科学家NELSON和GRIFFIN最先发现了酶的固定化现象；直到20世纪50年代，酶固定化技术的研究才真正有效地开展；1953年，德国科学家GRUB-HOFER 和SCHLEITH首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合制备固定化酶；到20世纪60年代，固定化技术迅速发展；1969年日本千畑一郎利用固定化氨基酰胺酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸，是世界上固定化酶大规模应用的首例；在1971年的第一届国际酶工程会议上，正式建议使用固定化酶(mimobilizedenzyme)这个名称。我国的固定化酶研究开始于1970年，首先是中国科学院微生物所和上海生化所的酶学工作者同时开始了固定化酶的研究工作 二固定化酶的特点[2] [3] 固定化酶具有许多优点：极易将固定化酶与底物、产物分开；可以在较长时间内进行分批反应和装柱连续反应；在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；酶反应过程能够加以严格控制；产物溶液中没有酶的残留，简化了提取工艺；较水溶性酶更适合于多酶反应；可以增加产物的收率,提高产物的质量；酶的使用效率提高，成本降低。但是，固定化酶也有其不足之处，如固定化时，酶活力有损失；增加了固定化的成本，工厂开始投资大；只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子。 三固定化酶固定化方法[3] [4] 由于所固定的酶或细胞的不同，或者固定的目的及固定用的载体的不同，使固定化方法大相径庭。根据固定的一般机理，可将之分为如下几种方法。酶的固定化方法有：
生物医用材料的研究进展 生物医用材料是用来对于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料, 它是研究人工器官和医疗器械的基础, 己成为材料学科的重要分支, 特别是随着生物技术的莲勃发展和重大突破, 生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。研究动态 迄今为止 ,被详细研究过的生物材料已有一千多种 ,医学临床上广泛使用的也有几十种 ,涉及到材料学的各个领域。当前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料, 具体体现在以下几个方面: 1. 提高生物医用材料的组织相容性 途径不外乎有两种, 一是使用天然高分子材料, 例如利用基因工程技术将产生蛛丝的基因导入酵母细菌并使其表示; 二是在材料表面固定有生理功能的物质, 如多肽、酶和细胞生长因子等, 这些物质充当邻近细胞、基质的配基或受体 ,使材料表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。 2. 生物医用材料的可降解化 组织工程领域研究中 ,一般应用生物相容性的可降解聚合物去诱导周围组织的生长或作为植入细胞的粘附、生长、分化的临时支架。其中组织工程材料除了具备一定的机械性能外, 还需具有生物相容性和可降解性。 英国科学家创造了一种可降解淀粉基聚合物支架。以玉米淀粉为基本材料, 分别加入乙烯基乙烯醇和醋酸纤维素 ,再分别对应加入不同比例的发泡剂 (主要为羧酸 ), 注塑成型后就能够获得支撑组织再生的可降解支架。 3. 生物医用材料的生物功能化和生物智能化 利用细胞学和分子生物学方法将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等固定在现有材料的表面 ,经过表面修饰构建新一代的分子生物材料 ,来引发我们所需的特异生物反应 ,抑制非特异性反应。例如将一种名叫玻璃粘连蛋白 (ＶＮ)的物质固定到钛表面, 发现固定ＶＮ的骨结合界面上有相对多的蛋白存在。4．开发新型医用合金材料
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html, 壳聚糖的制备方法及研究进展 作者：张立英 来源：《山东工业技术》2018年第02期 摘要：壳聚糖作为一种碱性多糖被广泛应用于食品、生物、化工、医疗等领域。本文重点介绍了壳聚糖的制备方法及其研究进展，并对其发展趋势进行了展望。 关键词：壳聚糖；碱性多糖；制备方法 DOI：10.16640/https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html,ki.37-1222/t.2018.02.016 壳聚糖本身的分子结构类似于纤维素，因其多了一个带正电荷的胺基，使其化学性质较为活泼。目前壳聚糖正因其优良的生理活性在食品、化妆品、医药、化工、污水处理等方面展现出广阔的应用前景，近十年来国内外对于壳聚糖的开发研究热度一直持续不减，各种新颖的制备方法也是层出不穷。 1壳聚糖的来源 壳聚糖通常是由甲壳素（又名几丁质）经脱乙酰基作用获得，甲壳素在自然界中广泛存在于高等真菌以及节肢动物（虾、蟹、昆虫等）的外壳中，其中虾壳、蟹壳是工业生产壳聚糖的主要原料。由于大分子间的氢键作用，天然存在的甲壳素构造坚固，化学性质稳定，不溶于水、酸碱和一般的有机溶剂，这也使得甲壳素的应用范围非常有限，因此甲壳素只有经脱乙酰基处理成壳聚糖才能获得广泛应用。 2壳聚糖的制备方法 （1）化学降解法。传统的壳聚糖生产多采用化学降解法。作为壳聚糖工业生产最常用的制备方法，化学降解法简便易行，效率高，整个生产过程容易控制，但该法环境污染较为严重，对周边环境具有一定的破坏性。欧阳涟等从蟹壳中获取甲壳素，并通过脱乙酰反应制备出了壳聚糖。试验探究了影响产物壳聚糖脱乙酰反应的各种因素，如反应温度、碱液含量及反应时间等，最终确定制备高脱乙酰度壳聚糖的条件为反应温度70℃，碱液质量分数47%，反应时间10 h。 （2）微生物培养法。微生物发酵法生产壳聚糖起源于美国，我国从上世纪90年代开始研究。其主要原理是利用微生物自身生产的酶进行催化，从而脱去甲壳素中的乙酰基，进而制备壳聚糖。目前该领域研究重点主要集中在优良菌株的选育和培养基的优化上。 贺淹才等首先采用电解法从培养的黑曲霉湿菌体中制得甲壳素，然后采用碱提取法从培养的黑曲霉湿菌体中制备壳聚糖。试验基于黑曲霉细胞壁的主要成分为蛋白质与甲壳素，而蛋白质带有可电离的基团，于溶液中可形成带电荷的阳离子和阴离子，在外加电场作用下发生迁
生物医用材料产业发展现状及思考生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一类高技术新材料，与人类的健康息息相关。随着经济发展水平提高，大健康概念日趋升温，加之当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展在分子水平上深化了材料与机体间相互作用的认识，当代生物医用材料产业已经成为快速发展的高科技新兴产业。 一、生物医用材料及其产业概述生物医用材料又称为生物材料，其传统领域主要包括支持运动功能人工器官（骨科植入物、人工骨、人工关节、人工假肢等），血液循环功能人工器官（人工血管、人工心脏瓣膜等）整形美容功能人工器官、感觉功能人工器官（人工晶体、人工耳蜗等）等，新型领域主要包括分子诊断、3D 打印等。 生物医用材料的特征主要包括：安全性、耐老化、亲和性，及物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。同时，便于消毒灭菌、无毒无热源，不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。其产业特征包括：低原材料消耗、低能耗、低环境污染、高技术附加值，高投入、高风险、高收益、知识与技术密集。 二、生物医用材料及其产业发展现状 （一）市场分析
2016 年全球生物医用材料市场规模为709 亿美元，预计2021 年将达到1491.7 亿美元，2016 ～2021 年的复合年增长率为16% 。骨科植入材料和心血管材料是生物医用材料市场占比最高的两个细分领域，其中骨科植入材料占据了全球生物医用材料市场的头把交椅，市场占有率为37.5% 。心血管材料占据生物医用材料市场的36.1% 。其他的主要细分领域还包括牙科材料、血液净化材料、生物再生材料和医用耗材。 （二）竞争态势全球生物医用材料和制品持续增长，美国、欧盟、日本仍然占据绝对领先优势。2015 年，在全球医疗器械生产和消费方面，美国、欧盟、日本的市场占比分别为41% 、31% 和14% 。 美国的生物医用材料产业集聚于技术资源丰富的硅谷、128 号公路科技园、北卡罗来纳研究三角园，以及临床资源丰富的明尼阿波利斯及克利夫兰医学中心等；德国聚集于巴州艾尔格兰、图林根州等地区；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技园等。 图1 ：主要国家生物医用材料销售收入占全球医疗器械市场比例分析 中国和印度拥有最多的人口，且其医疗保健系统正在发展 当中尚未成熟，因此在医学发展和临床巨大需求的驱动下最具
壳聚糖和壳聚糖衍生物的抑菌作用 摘要：壳聚糖是一类有着广谱抑菌活性的天然多糖，其生物相容性好、易降解、无毒，因而作为一种可再生资源在抑菌领域受到了越来越多的关注。本文通过对壳聚糖来源、性质、壳聚糖衍生物的化学改性的方法和抑菌作用的分析，并对今后壳聚糖衍生物抑菌情况进行了初步的展望。为研制和开发新型的高抑菌活性的壳聚糖衍生物的开发提供理论参考。 关键词：壳聚糖；衍生物；抑菌；机理 引言 壳聚糖是无毒、无污染，具有可再生、无毒副作用，生物相容性和降解性良好的天然氨基多糖。目前已被广泛应用于医药[1-2]、农业[3]、食品[4-5]等领域，并成为最近生物新材料研究的热点[6-7]。壳聚糖具有抗菌活性，对多种植物病原细菌和真菌均抑制作用[8]。但由于其不溶于水和大多数有机溶剂，只溶于稀酸，在很大程度上限制了其应用范围。壳聚糖通过化学改性，可以得到具有一定官能团的壳聚糖衍生物。与壳聚糖相比，这些衍生物的性能往往有较明显的改善。对于壳聚糖的化学修饰研究较多的有壳聚糖的酰基化、烷基化、羟基化、醛亚胺基化、硫酸酯化、羧甲基化、季铵化等，其中季铵化、羧甲基化和硫酸酯化的产物由于具有良好的水溶性而备受重视[9]。有关壳聚糖的结构修饰和构效关系的研究已成为研究热点[10],因此，研究开发具有更高抗菌活性的壳聚糖衍生物，对于改善人们的生活质量具有重要意义。 1壳聚糖的来源和性质 1.1壳聚糖的来源 壳聚糖是自然界唯一的碱性天然多糖，壳聚糖的历史得追随到19世纪，当时Rouget 在甲壳素的天然聚合物中发现了其脱乙酰化的形式[11]。壳聚糖是白色或淡黄色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。由于其原料和制备方法的不同，其分子量也有所不同，可以从数十万到数百万不等。甲壳素在浓碱中加热处理后，就可以脱去部分乙酰基，得到壳聚糖，反应路线如下。
技术进展 Technology Progre ss 壳聚糖降解研究进展 李 治 刘晓非 杨冬芝 管云林 姚康德 (天津大学材料科学与工程学院,天津,300072) 提 要 壳聚糖已被广泛应用于化工、环保、医药等众多领域,将壳聚糖降解到需要的分子量是其应用的前提。 本文介绍并评述了化学降解、物理降解和生物降解等壳聚糖降解方法的研究进展。 关键词 壳聚糖,降解,分子量,低聚物 壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,在自然界中的储量非常丰富,广泛存在于虾、蟹和昆虫的外壳及藻类、菌类的细胞壁之中,是年产量仅次于纤维素的第二大天然高分子,也是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖。壳聚糖是分子链由β2(104)222乙酰胺基2 D2葡糖单元和β2(104)222氨基2D2葡糖单元组成的共聚物,以分子量和脱乙酰化度来表征。 近年来随着研究的深入,壳聚糖在化工、 环 图1 壳聚糖 保、食品、印染、纺织、生物医药等方面展现出广 泛而独特的应用价值:可用作微量金属离子提取 剂、纸张添加剂、胶卷增感剂、废水处理中的高效 絮凝剂、化妆品中的保湿剂、食品添加剂和保藏剂 以及印染固色剂[1～4];可用于制造催化功能膜和各 种形式的能量转换膜,可提高巨噬细胞的吞噬功 能,抑制肿瘤生长[5～7];是肠道有益细菌双歧杆菌 的增殖因子,能降低胆固醇和血脂[8];可用于制造 药物可控释放膜、可吸收的手术缝合线以及人工透 析膜等等[9～11]。 但是,一般由甲壳素脱乙酰化制得的壳聚糖分 子量很大,并且有紧密的晶体结构,不溶于普通溶 剂,只能在某些酸性介质中溶解,这使壳聚糖的应 用受到极大限制;另外,研究表明分子量对壳聚糖 的性质有很大影响,不同分子量的壳聚糖性质差异 很大,有时甚至表现出截然相反的特性[12,13],而 壳聚糖的许多独特功能只有在分子量降低到一定程 度时才表现出来。因此,选择适当的方法对壳聚糖 进行降解就显得尤为重要。目前,国内外学者提出 的降解方法主要有化学降解、物理降解和生物降解 三大类。 1 化学降解 111 用N a N O2降解 将壳聚糖溶解于质量分数为10%乙酸溶液中, 在搅拌下缓慢滴入一定量的NaNO2溶液,于4℃下 静置一段时间,使—NH2发生重氮化反应,脱去一 分子N2,引起分子内重排使大分子链断裂,再用 NaBH4还原端基,完成降解反应[13]。反应过程如 图2所示。 这是传统的化学降解方法,降解产物的分子量 可以通过改变NaNO2的加入量和反应时间来控制, 国内常用此法降解壳聚糖并提取产物中的单糖组 分。该法的主要缺陷在于:(1)产品的分子量分布 太宽,均一性差;(2)降解过程中破坏了氨基,理 论上加入1摩尔NaNO2就要消耗1摩尔氨基,而壳 聚糖良好的生物相容性主要由氨基提供[14],同时 分子链上存在足够数量的氨基也是壳聚糖进行进一 步改性的重要前提,氨基数量的减少将会使壳聚糖 的应用受到限制;(3)生产的三废污染严重。 国家自然科学基金资助项目,N o.59773002。
Bioprocess 生物过程, 2017, 7(4), 41-48 Published Online December 2017 in Hans. https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html,/journal/bp https://https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html,/10.12677/bp.2017.74006 Research Progress on Chitosan Antimicrobial Maotao Wu SunRui Marine Environment Engineering Co., ltd, Qingdao Shandong Received: Nov. 20th, 2017; accepted: Dec. 1st, 2017; published: Dec. 7th, 2017 Abstract Chitosan is a nature macromolecule. With the investigation, its applications are broad. The article summarizes the research and application of chitosan as an antimicrobial, the mechanism and the infective factors, and the development foreground of the chitosan antimicrobial is prospected. Keywords Chitosan, Antimicrobial, Mechanism, Prospect 壳聚糖抗菌剂研究进展 吴茂涛 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 收稿日期：2017年11月20日；录用日期：2017年12月1日；发布日期：2017年12月7日 摘要 壳聚糖是一种天然的高分子，随着研究的深入发展，应用范围越来越广泛。本文概述了壳聚糖在抗菌剂领域的研究应用情况，归纳总结了其抗菌机理及其影响因素，同时展望了壳聚糖抗菌剂的发展前景。 关键词 壳聚糖，抗菌剂，机理，展望
改性壳聚糖的研究进展 1壳聚糖的理化性质 壳聚糖(chitosan，(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)是甲壳素(chitin,(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)部分脱乙酰化的产物。甲壳素广泛存在于蟹、虾以及藻类、真菌等低等动植物中，含量极其丰富，自然界每年产量约在100亿吨，是仅次于纤维素的第二大多糖。它是由葡萄糖结构单元组成的直链多糖，此多糖中含有数千个乙酰己糖胺残基，因此在分子间形成很强的氢键，导致其不溶于水和普通有机溶剂，这就大大限制了其应用范围。 将甲壳素在碱性条件下加热，脱去N-乙酰基后可生成壳聚糖。人们常将N-脱乙酰度和粘度(平均相对分子质量)作为衡量壳聚糖性能的两项指标。N-脱乙酰度是判定壳聚糖溶解性的依据，脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基就越多，在酸中的溶解性就越好；而壳聚糖相对分子质量越大，分子之间的缠绕程度就越大，溶解度就越小。壳聚糖是自然界中唯一的一种碱性多糖，它一般是白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体。壳聚糖可溶于大多数稀酸，如盐酸、醋酸、苯甲酸溶液，且溶于酸后分子中氨基可与质子结合，使自身带上正电荷。甲壳素及壳聚糖的结构式如图1所示：
图1壳寡糖与壳聚糖的结构式 甲壳素和壳聚糖在自然界可以被各种微生物降解。微生物中的甲壳素酶(chitinase)可以随机地水解甲壳素的N-乙酰-β-(1-4)糖苷键。而壳聚糖可以被多种酶水解，包括壳聚糖酶(chitosanase)、麦芽糖酶、脂肪酶、以及各种来源的蛋白酶。在人体内甲壳素酶和壳聚糖酶并非普遍存在，通过测定显示N-乙酰壳聚糖在人血清中可以被人体内普遍存在的溶菌酶(lysozyme)降解。 壳聚糖的主链结构中引入了2-氨基，化学性质区别于3,6-羟基，与甲壳素相比增加了反应选择性的功能基团。由于C6-OH是一级羟基，C3-OH是二级羟基，空间位阻不同反应活性也不同，再加上C2-NH2，壳聚糖就具有三个活性不同的可供修饰的基团。根据不同的需要，被修饰的壳聚糖作为一种功能大分子广泛用于各种领域。由于壳聚糖只在酸性水溶液中溶解，而在中性或碱性水溶液中以及多数有机溶剂中不溶，限制了它的应用范围，因此科学家们采用衍生化的方法对壳聚糖进行改性获得了多种水溶性和可溶解于某些有机溶剂的衍生物，大大扩展了壳聚糖的应用范围。其中包括对壳聚糖进行N-,O-酰化，含氧无机酸酯化，醚化，N-烷基化，C6-OH和C3-OH的氧化，以及鳌合、交联等，在此过程中获得了许多性能良好，甚至是
I型胶原-壳聚糖复合材料的生物相容性研究1 张永强1任志鹏1杨自权1*孙晓丹2卫小春1* 1山西医科大学第二医院骨科骨与软组织损伤修复山西省重点实验室 030001 2清华大学材料工程学院 【摘要】目的评价I型胶原-壳聚糖复合材料作为组织工程支架材料的生物相容性。方法体外培养兔骨髓间充质干细胞（BMSCs），采用四甲基偶氮唑盐（MTT）比色法检测不同分组的BMSCs生长情况，酶标仪测吸光度值（OD），计算细胞相对增值率（RGR％）；利用材料浸提液与兔新鲜血混合观察红细胞溶解情况，评价材料细胞生物相容性。结果空白组（A组），50％浓度组（B 组）和100％浓度组（C组）BMSCs均生长良好，并于1、3、5天逐渐增殖，阳性对照组（D组）细胞于第１天开始变圆、皱缩，3天和5天均皱缩死亡。A、B、C三组细胞在第1、3、5天各组吸光度值无显著差异（P>0.05），但均与Ｄ组有明显统计学差异（P<0.05）。材料相对溶血率为4.1％。结论I型胶原-壳聚糖复合材料无明显细胞毒性，有良好的生物相容性。 【关键词】胶原-壳聚糖材料；细胞毒性试验；溶血试验Biocompatibility researches of type I collagen - chitosan scaffold Zhang yongqiang1, Ren zhipeng1, Yang ziquan1*et al.1 Department of Orthopedics,the second hospital of Shanxi Medical University,bone and soft tissue healing Key Laboratory of Shanxi Province; 1基金项目：国家自然基金项目(30973048)；科技部国际合作重点项目（2008GR0403）；国家人力资源与社会保障部2009年度留学回国人员科技活动择优资助项目 作者简介：张永强（1985-），男，在读硕士研究生，研究方向为关节软骨的损伤与修复 *通讯作者：杨自权（1972-），男，副主任医师，硕士研究生导师，e-mail: yzqonline@https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html, 卫小春（1951-），男，主任医师，博士研究生导师，硕士研究生导 师,e-mail:weixiaochun06@https://www.doczj.com/doc/bb16288869.html,
生物医用纺织材料及其器件研究进展 生物医用纺织材料是生物医用材料的重要组成部分，是以纤维为基础、纺织技术为依托、医疗应用为目的的医用材料，用于临床诊断、治疗、修复、替换以及人体的保健与防护。生物医用纺织材料是纺织与材料、生物、医学及其他相关基础学科深度交叉融合产生的一类医用材料，其产品是医疗器械的一个重要组成部分，由各级食品药品监督部门监管。与服用和家用纺织品相比，生物医用纺织品研发流程长，产品审批手续复杂，故新产品注册上市所需时间更长。 生物医用纺织材料按来源分类可分为生物医用金属纤维( 如不锈钢丝缝合线) 、生物医用无机非金属纤维( 如氧化铝纤维) 和生物医用高分子纤维。其中，以高分子纤维居多。生物医用高分子纤维包括: 1) 天然高分子基生物医用纤维，含纤维状的天然物质直接分离、精制而成的天然纤维和用天然高分子为原料经化学和机械加工制成的纤维，如纤维素及其衍生物纤维( 氧化纤维素) 、甲壳素及其衍生物纤维、蚕丝和骨胶原纤维等; 2) 合成高分子基生物医用纤维，如聚酯、聚酰胺、聚烯烃、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乳酸纤维等。 生物医用纺织材料纤维的主要成型方法有: 干法纺丝、湿法纺丝、熔融纺丝、干湿纺丝、乳液纺丝、凝胶纺丝等。不同的纺丝方法可获得不同的截面形态和直径尺度的纤维。截面形态包括圆形、三角、核壳及中空型等。根据不同的成型方法可获得从纳米级到毫米级的不同纤维尺度。熔融和湿法纺丝的纤维直径与大多数动植物细胞尺度相近，而静电纺丝纤维更接近于病毒的尺度。 生物医用纤维可经纺织手段制备成一维(线状)、二维(平面) 或三维(管状)纺织品。其手段主要是指机织、针织、编织、非织、静电纺及复合成型方法。实际研发过程中，常常根据医疗产品的需求，可选择1种或数种纺织手段来进行成型。生物医用纺织品具有规则的多孔结构且连续贯穿，表面拓扑形貌规则且易控，厚度可在1 × 102～ 1 × 107nm范围内调节。通过不同的纺织手段获得的纺织品，其力学性能各具特色且调节范围大。 生物医用纺织材料在临床上具有广泛的用途，可独立或参与制成人体器官或组织的替代物，不同的产品具有不同的医学功能。1) 支持运动功能: 人工关节、人工骨、人工肌腱等; 2) 血液循环功能: 人工心脏瓣膜、人工血管等; 3) 呼吸功能: 人工肺、人工气管、人工喉等; 4) 血液净化功能: 人工肾、人工肝等; 5) 消化功能:人工食管、人工胆管、人工肠等;6) 泌尿功能: 人工输尿管、人工尿道等; 7) 生殖
壳聚糖的抑菌机理及抑菌特性研究进展 吴小勇 曾庆孝 阮征 张立彦 (华南理工大学轻工与食品学院,广州510640) 摘 要:本文介绍了壳聚糖的抑菌作用及其在食品防腐保鲜方面的应用,还对壳聚糖的抑菌机理及其影响因素进行了较为全面的讨论。 关键词:甲壳素,壳聚糖,抑菌,防腐保鲜 Progress in the Study of Antimicrobial Activities of Chitosan Xiaoyong Wu,Q ingxiao Z eng,Zhen Ruan,Liyan Zhang (College of Light Industry&Food Science,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640) Abstract:The antimicrobial activities of chitosan and its a pplication in food preservation were introduced in this article. Moreover,the antimicrobial mechanisms and the effect factors of chitosan were com pletely discussed. K ey w ords:Chitin,Chitosan,Antimicrobial activities,Preservation 0 简介 甲壳素是可以再生的生物大分子物质,在自然界中广泛存在,是自然界中存在的数量仅次于纤维素的第二大有机物,估计每年的生物合成量达100亿吨[1]。甲壳素的脱乙酰产物%%壳聚糖,由于存在自由氨基,其溶解性和化学反应活性大大改善,表现出比甲壳素更广泛的应用前景。壳聚糖在食品工业的应用主要有:食品防腐保鲜、酒类除浊和果汁的澄清、功能性食品添加剂、水净化等。Fereidoon Shahidi 等综述了甲壳素和壳聚糖在这方面的应用[2],宋清华等也有类似的介绍[3]。近年来,随着消费者对化学防腐剂的安全性的担忧和对天然防腐剂的喜好,关于壳聚糖在食品防腐保鲜方面的应用的研究也越来越多;但是在壳聚糖的抑菌机理和抑菌特性方面,不同的研究者得出的结论不同,有的结论一致,有的结论不一致,甚至相反;因此,对这些研究成果进行回顾,从中找出一些基本正确的,有规律性的结论是很有必要的。本文将努力在这方面做一些工作,并介绍部分关于壳聚糖的抑菌机理及应用研究方面的最新成果,供读者参考。 1 壳聚糖的抑菌机理 抗微生物的物质,其作用方式主要有以下几种[4]:损伤细胞壁、改变细胞的透性、改变蛋白质和核酸分子、抑制酶的作用、作为抗代谢物、抑制核酸的合成。关于壳聚糖及其衍生物的抑菌机理,从目前的研究结果来看,主要有以下几种可能:(1)分子量小于5000kDa的壳聚糖可以透过细胞膜[5],小分子壳聚糖进入微生物细胞内,与细胞内带负电的物质(主要是蛋白质和核酸)结合,使细胞的正常生理功能(例如DNA的复制和蛋白质的合成等)受到影响,导致微生物死亡[6]。(2)大分子的壳聚糖吸附在微生物细胞表面,形成一层高分子膜,阻止了营养物质向细胞内运输,从而起到杀菌和抑菌作用[5,6]。(3)壳聚糖的正电荷与微生物细胞膜表面的负电荷之间的相互作用,改变了微生物细胞膜的通透性,引起微生物细胞死亡[7]。(4)壳聚糖作为一种螯合剂,选择性地螯合对微生物生长起关键作用的金属离子,从而抑制微生物的生长和产毒; 64